Mit Schaufeln versehener Rotor einer Axialatrömungamaschine. Die Erfindung bezieht sich auf die Kon struktion von mit Schaufeln versehenen Ro toren für Axialströmungsmaschinen, wie z. B, Turbinen und Kompressoren, bei welchen der Schaufelträger aus wenigstens drei Metall platten hergestellt ist, an denen die Schau feln befestigt sind. Die Erfindung ist vor allem von Bedeutung für Gasturbinenrotoren, die mit hohen Temperaturen arbeiten.
Es war tatsächlich beabsichtigt, die Erfordernisse sol cher Turbinenrotoren zu befriedigen, obschon aus einer Betrachtung der Einzelheiten her vorgeht, dass die Erfindung auch bei Rotoren für andere Axialströmungsmaschinen Vorteile bieten.
Es ist übliche Praxis, den Rotor der be schriebenen Art aus einer oder mehreren re lativ massiven Scheiben oder Rädern herzu stellen, von welchen höchstens zwei einen Kranz von Schaufeln tragen und welche üb licherweise aus einem Stück bestehende Guss- stücke oder Schmiedstücke sind.
Dieses Her stellungsverfahren besitzt eine Anzahl Nach teile, besonders im Fall von Schmiedstücken, infolge der Tatsache, dass ein aus einem Stück bestehender Rotor im Einkaufspreis teuer ist und dass ein örtlicher Riss oder Fehler den ganzen Ausschuss des Elementes bedingt, viel leicht erst, nachdem eine beträchtliche Aus gabe bei vorhergehenden Bearbeitungsvorgän gen gemacht wurde. Rotorelemente der üb lichen Bauart aus einem Stück bedingen auch teure Bearbeitungsverfahren, da jeder bear- beitete Teil aus dem Vollen bearbeitet werden muss und sich daher nicht zur Massenherstel lung eignet. In gleicher Weise eignen sie sich infolge Bearbeitungsschwierigkeiten nicht. leicht für die Anordnung von innern Küh lungsdurchlässen.
Diese Schwierigkeiten können durch die Benutzung einer Plattenkonstruktion für den Schaufelträger gemildert werden.
Gemäss der Erfindung weist bei einem mit Schaufeln versehenen Rotor für eine Axial strömungsmaschine, z. B. Axialgasturbine oder Kompressor, ein Schaufelträger wenigstens drei Metallplatten auf, welche als Paket so zusammengehalten werden, dass sie sich gegen seitig abstützen und gemeinsam ein Dreh moment übertragen können, während die Schaufeln getrennt vom Schaufelträger her gestellt sind und mittels Fussteilen in am Um fang des Plattenpaketes vorgesehene Sitze ein greifen.
Vorzugsweise weist ein Schaufelträger mehr als drei Metallplatten auf. Die Schaufel füsse können dabei in gewissen Fällen mit allen Metallplatten zusammen verankert sein, in andern Fällen können sie nur mit einer Anzahl, jedoch nicht allen Metallplatten ver ankert sein.
Auf der beiliegenden Zeichnung sind Aus führungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Fig.1 ist eine Seitenansicht teilweise ge schnitten einer einfachen Ausführungsform eines Schaufelträgers, der durch ein lamellier- tes Paket gebildet ist.
Fig. 2 ist eine teilweise Stirnansicht des in Fig. 1 dargestellten Schaufelträgers und zeigt. zwei Ausführungsformen von axial sich er streckenden Schaufelfusssitzen.
Fig. 3 ist ein teilweiser Schnitt eines Schaufelträgers mit einer in Lage befindli chen Schaufel in einem axial sich erstrecken den Sitz und zeigt eine Anordnung für die Verhinderung der axialen Verschiebung der Schaufeln.
Fig. 4 und 5 sind ein Schnitt bzw. eine Stirnansicht eines Schaufelträgers mit einer in einem axial sich erstreckenden Sitz ange ordneten Schaufel, wobei jedoch eine alter native Anordnung für die Verhinderung der axialen Verschiebung der Schaufeln vorge sehen ist.
Fig. 6 ist ein anderer Teilschnitt und ver anschaulicht eine alternative Form der Schau felfussanordnung.
Fig. 7 ist ein Detailschnitt einer möglichen Art der Befestigung eines Ausgleichsgewich tes an einem Schaufelträger.
Fig. 8a, b und c sind ein Grundriss, eine Ansicht und ein Querschnitt nach Linie C-C einer Ausführungsform einer hohlen Metall blechschaufel, welche für die Anwendung bei einem Rotor gemäss der Erfindung geeignet ist, während Fig. 8cl und e einen Füllblock für den Gebrauch beim Befestigen einer solchen Schaufel veranschaulichen.
Fig. 9 und 10 sind ein teilweiser Schnitt und eine Stirnansicht eines Schaufelträgers, welcher Kühldurchlässe besitzt, mit Eintritt zu den Durchlässen von der Stirnseite des Schaufelträgers.
Fig.11a, b und c stellen alternative Aus führungen für die Bildung innerer Kühl durchlässe in einem Schaiüelträger dar.
Fig. 12 ist eine Stirnansicht eines Rotors und gibt drei alternative Arten der Anord nung der Kühldurchlässe bei den in Fig. 11 gezeigten Formen an.
Fig. 13 ist eine Seitenansicht mit teilwei- sem-Schnitt einer Anordnung für die Zufüh- rung von Kühlluft von der Nabe eines sol chen Rotors.
Fig.14 und 15 sind Detailansichten von alternativen Formen der Schaufelfussanörd- nung, welche benutzt werden können, und Fig. 16 veranschaulicht die Anwendung der Erfindung bei einem 1VIehrstufenrotor. Bei der Ausführungsform der Erfindung nach Fig.1, welche einen Turbinenrotor zeigt, der für den Gebrauch bei einer hoch bean spruchten Verbrennungsturbinen-Anordnung geeignet ist, ist der Laufschaufelträger durch ein Paket von Metallblechplatten 1 gebildet,
die durch Bolzen 2 zwischen dem Flansch 3a einer Welle 3 und einer Platte 3b festgeklemmt sind, wobei die Bolzen 2 durch alle Platten hindurchgehen, so dass jede Platte radial re lativ zu den andern im Betrieb festgelegt ist.
Vorteilhaft sind die Platten Feinbleche, das heisst Bleche unter 5 mm Dicke, einer warm festen Legierung, deren Zugfestigkeit durch ein kaltes Walzverfahren verbessert ist, wobei eine geeignete Legierung für diesen Zweck eine austenitische Stahllegierung ist, die an- nähernd 18 % Chrom und 8 % Nickel enthält und mit Titan stabilisiert ist.
Die Schaufelfüsse 4 sind in am Umfang des Scheibenpaketes vorgesehenen Sitzen ver ankert; z. B. kann, wie in Fig. 2 und 3 dar gestellt ist, ein Fuss 4 von tannenbaumartiger Bauart vorhanden sein, welcher gewöhnlich bei Verbrennimgsgasturbinen benutzt wird, wo bei diese Bauart des Fusses und sein Sitz da durch gekennzeichnet sind, dass sie in radialer Einwärtsrichtung zulaufen und ihre Seiten wände sägezahnartig ausgebildet sind. Diese Form der Schaufelanordnung hat sich als sehr zufriedenstellend in Zusammenhang mit Schaufelträgern aus einem Stück herausge stellt; die Anwendung von Blechmaterial führt.
selbst zur Konstruktion eines geeigneten Sit zes dafür durch einfache Stanzvorgänge an Stelle des üblichen Fräsens, Räumens und Bohrens aus dem Vollen, obschon Bohren noch immer als Endbearbeitung benutzt werden kann.
Bei dieser Konstruktion kann eine axiale Verschiebung der Schaufeln nach dem Zusammenbau entweder durch Stauchen der Stirnseiten der Schaufelfüsse oder (siehe Fig. 3) durch Anordnung äusserer Platten 5, welche nicht genutet sind und sich somit quer über die Enden der Schaufelfussstirnflächen erstrecken, oder auch (siehe Fig. 4 und 5) durch Verschiebung einer genuteten Platte 6 in Umfangsrichtung relativ zu den verbleiben den Platten 1 verhindert werden, so dass sie in eine Nut im Schaufelfuss eintritt.
An Stelle der Tannenbaumbauart der Schaufelfussbefestigung können die Seiten eines Fusses und Sitzes halbkreisförmige axiale Nuten haben, wie es in bezug auf den Fuss 7 in Fig. 2 angegeben ist, bei welcher die Schau fel gegen radiale Verschiebung durch Stifte 8 festgehalten ist, welche in die so gebildeten Löcher passen und gegen axiale Verschie bung durch Stauchen der Stifte 8 festgehal ten ist.
Es ist zu beachten, dass bei jeder der so eben beschriebenen Konstruktionen die Zentri- fugalbelastung infolge der Schaufeln über alle Platten verteilt wird.
Als eine Alternative zu der axial sich er streckenden Fussbefestigung können benach barte Platten 1 von verschiedenen radialen Abmessungen sein, wie es in Fig. 6 dargestellt ist, so dass sie Umfangskanäle am Rand des Rotors bilden; die Schaufelfüsse besitzen Zun gen 9, welche in der Umfangsrichtung liegen, wobei die Schaufeln durch Stifte oder Zapfen 10 in Lage gehalten sind, welche durch aus gerichtete Löcher in den Zungen 9 und Plat ten 1 hindurchgehen und für axiales Fest- halten gestaucht sind. Bei dieser Anordnung sind die Befestigungsstifte 10 an verschie denen Stellen ihrer Länge auf Abscheren be ansprucht.
Bei dieser gezeigten Anordnung nehmen die Platten von kleinerem Radius an ihren Umfängen die radiale Belastung nicht auf; aber sie können befähigt werden, dies dadurch zu tun, dass die Platten zusam mengenietet oder auf andere Weise miteinan der verbunden werden.
Alternativ können die Platten von kleinerem Durchmesser unbean- sprucht gelassen werden, in welchem Falle sie nur als Abstandsglieder wirken und aus min derwertigerem Material als die grösseren Plat- ten hergestellt sein können. Es können natür lich mehrere der letzteren auch aus mehreren Feinblechen. zusammengesetzt sein, wie es auf der rechten Seite der Figur gezeigt ist.
Um die Schaufeln und nötigenfalls den Schaufelträger selbst zu kühlen, kann der letztere in der in Fig. 9 bis 13 angegebenen Weise mit innern Kühldurchlässen 11 verse hen sein. In. Fig. 9 und 10 sind aufeinander- folgende Platten 1 mit Löchern in solcher Weise versehen, dass die Löcher in aufeinan derfolgenden Platten einander überlappen und zusammen kontinuerliche Durchlässe 11 bilden, die sich von einer radial innern Stelle des Schaufelträgers zu den Schaufelfusssitzen erstrecken.
Es ist zu beachten, dass bei diesem Beispiel die Durchlässe 11 bis zur Innenseite der einen äussersten Platte reichen, und die äusserste Platte ist an dieser Stelle defor miert, um eine Lippe 12 vorzusehen, welche als Schaufel für das Eintreten von Luft in die Durchlässe wirkt. Die Durchbrechungen können so vorgesehen werden, dass keine Platte unzulässig geschwächt wird und es dennoch möglich ist, eine Verteilung von Kühldurch lässen zu erhalten, die zu jedem Schaufelfuss führen.
Bei der alternativ vorgeschlagenen Kühl anordnung nach Fig.11 bis 13 wird vorge schlagen, einzelne Platten 1 so zu deformie ren, dass ein Abstand zwischen diesen an ge wünschten Stellen erzeugt wird. Zum Beispiel haben, wie es in Fig.11a veranschaulicht ist, aufeinanderfolgende Platten ineinandergrei- fende, darin gebildete Nuten und Rippen 13 welche einen Abstand zwischen benachbarten Platten ergeben, während nach Fig.11b nur Rippen 14 verwendet werden und nach Fig. 11c abwechselnd ebene und gewellte Plat ten 1 bzw. 15 vorgesehen sind.
Die Deforma tionen der verschiedenen vorgeschlagenen Ar ten können. auf irgendeine der drei in Fig.12 angegebenen Arten angeordnet sein, das heisst radial wie bei 16, ringförmig wie bei 17 oder spiralförmig wie bei 18, so dass kontinuierliche Durchlässe von irgendeiner radial innern Stelle des Schaufelträgers bis zum Umfang entstehen. Bei dem in Fig.12 und 13 darge- stellten Beispiel ist angenommen, dass die Luft von einer Hohlwelle 3 (Fug. 13) durch Kanäle zugeführt wird, die mit einem Ring- hohlraiun 19 in der Mitte des Rotors in Ver bindung stehen.
Eine Plattenkonstruktion des Sehaufelträ- gcrelementes in Übereinstimmung mit der Er findung, besonders ein solcher mit Kühldurch lässen, wie in Fig. 9 bis 13, kann vorteilhaft mit einer hohlen Metallblechschaufel kombi niert sein, von welcher ein Beispiel in Fig. 8 dargestellt ist, bei der ein Fuss 33 von gewell ter Form verwendet wird, welcher in einem entsprechend geformten Sitz durch das Ein setzen eines innern Füllkörpers 34 festgehal ten wird. Der letztere besitzt Durchlässe 35,
um Kühlluft, welche aus dem Schaufelträger austritt, in den Schaufelkörper 36 zu leiten, der an seiner Hinterkante und radialem äu ssern Ende offen ist, damit die Kühlluft in die Arbeitsfluidumströmung entweichen kann.
Eine Konstruktion für die Befestigung von Rotorausgleichsgewichten, welche von den Eigenschaften der Lamellenkonstruktion ent sprechend der Erfindung Gebrauch macht, ist in Fig. 7 dargestellt, bei der das Gewicht die Form eines mit Kopf versehenen Zapfens 31 hat, der in Löcher nufeinanderfolgender Platten 1 eingepasst und dadurch festgehalten wird, dass ein Kopf 32, wie gezeigt, von den Platten umgeben ist.
Es können einige dieser Zapfen 31 ringförmig auf dem Schaufelträger verteilt angeordnet sein, und zwecks Erleich terung des Auswuchtens kann jeder durch bohrt sein, um Stiftschrauben, wie 31c, von verschiedenen Gewichten aufzunehmen oder um andere Formzen des Ausgleichsgewichtes aufzunehmen. Ein Ausgleich der Umbalance kann auch durch die Anordnung eines Buk- kels 37 (Fug. 3) erhalten werden, in welchem Material abgelagert werden kann.
Die Erfindung kann auch bei der Kon- str.iktion von Rotoren für Mehrstufenmaschi- nen angewendet werden. Bei dem in Fig.16 dargestellten Beispiel werden Plattenpakete 29 nur für diejenigen Teile des Rotors benützt, welche tatsächlich die Schaufeln tragen; diese Pakete 29 sind durch Distanzscheiben 30 von- einander getrennt. Die Pakete 29 können na türlich von irgendeiner der beschriebenen Aus führungsformen sein.
Bei irgendeinem der vorstehend beschrie benen Fälle, bei welchem axial verlaufende Schaufelsitze verwendet werden, könnte der Sitz in der in Fig.14 angedeuteten Weise schraubenlinienförmig verlaufen, wobei diese Ausbildung ganz einfach durch relative Um fangsverschiebung von benachbarten Platten 1 und nötigenfalls Bearbeitung der innern Flächen der Sitze erreicht wird, um die klei nen so erzeugten Stufen zu beseitigen. Eine weitere alternative Ausführungsform des Sit zes ist in Fig. 15 dargestellt und ist von Schwalbenschwanzform, welche sich durch Be arbeitung von Vertiefungen 37 in aufeinan derfolgende Platten 1 ergibt.
Wenn sich eine Schwierigkeit bei der Er reichung von annehmbaren genauen Grenzen für die axiale Abmessung eines Schaufelträ gers mit einer Plattenkonstruktion entspre chend der Erfindung ohne Zuflucht zu be sonderer Bearbeitung der Oberfläche der ein zelnen Platten ergeben sollte, so kann einer solchen Schwierigkeit dadurch begegnet wer den, dass Platten von verschiedener normali sierter Dicke benutzt werden, wie es in Fig. 6 veranschaulicht ist, so dass durch passende Kombinationen von Platten die richtige Dicke erhalten werden kann.